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南京理工大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號(hào)：
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目：
高層建筑消防救生裝置
指 導(dǎo) 教 師:
——總體設(shè)計(jì)及圓錐齒輪減速器設(shè)計(jì)
2010 年 4 月 4 日
開題報(bào)告填寫要求
1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；
2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見；
3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊(cè)）；
4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2010年3月15日”或“2010-03-15”。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫
2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
摘要 在簡(jiǎn)要敘述了現(xiàn)階段高層建筑消防的存在的主要問題及國內(nèi)外現(xiàn)有消防裝置后，詳細(xì)敘述了現(xiàn)有總體設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)問題。提出一種新的高層建筑消防救援方法及其總體設(shè)計(jì)方案，即利用動(dòng)力傘的機(jī)動(dòng)性，用電機(jī)帶動(dòng)減速器，牽引鋼索將消防救援裝備及人員以較快的速度由地面運(yùn)送到指定高度供給消防隊(duì)員開展滅火救生行動(dòng)。另外對(duì)本裝置中所需要使用的減速器等部件進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。
關(guān)鍵詞 高層救生 機(jī)器人 減速器
1 引言
高層建筑直接救生滅火的火場(chǎng)特殊性，尤其是20層以上的消防救生實(shí)施非常困難[1]，雖然伴隨著高層建筑的發(fā)展國內(nèi)外一直競(jìng)相研制開發(fā)，但直接用于高層消防救生、滅火且實(shí)用、能商品化的產(chǎn)品近乎沒有[2]。
2 國內(nèi)外高層建筑救生
由于高層建筑直接救生滅火的困難性，目前國內(nèi)外高層建筑救生與滅火設(shè)備的最新發(fā)展有以下趨勢(shì)：繼續(xù)研發(fā)更高高度的云梯消防車以及開發(fā)性能更好、適合救火的直升機(jī)，但目前依然實(shí)際困難很大。性能更好的設(shè)備并商品化的目前尚未見到相關(guān)報(bào)道。目前多數(shù)公司或機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)而集中致力于創(chuàng)新、開發(fā)能輔助高層建筑消防救生與滅火的外圍相關(guān)產(chǎn)品，但一般不能直接進(jìn)行救生滅火，主要有以下進(jìn)展趨勢(shì)[3,14]：
（1）火場(chǎng)機(jī)器人。把帶有視頻頭的機(jī)器人送到著火地區(qū)，特別是可能有毒氣等條件惡劣的地方代替消防人員搜索被困者。美國一個(gè)叫“安娜·肯達(dá)”的搜索機(jī)器人，像一條大蛇，它有三米長，共有22個(gè)節(jié)，頂部的攝像頭能轉(zhuǎn)動(dòng)33個(gè)角度，全方位觀察特定區(qū)域內(nèi)情景。主要適于火場(chǎng)搜索，能輔助救生，但造價(jià)昂貴，不能直接用于高層救生、滅火[6]。
（2）超大型超高壓滅火噴槍?；孪拦臼敲绹?lián)合技術(shù)公司旗下的分公司，他們的超大口徑高壓泵，能夠在極短時(shí)間內(nèi)，噴射非常大的滅火水流，或是將滅火泡沫噴至約140米的高空。但較難射中室內(nèi)指定地點(diǎn)，更不能直接救生。
（3）未來型滅火機(jī)器人。德國一公司設(shè)計(jì)了一外形很像是甲殼蟲的未來型滅火機(jī)器人，配備全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航，并攜帶一到數(shù)個(gè)水箱，在遙控中心的指揮下，“自行”前往火區(qū)滅火，使消防人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)?？梢耘罉牵珜?duì)于樓層過高而樓內(nèi)通道受阻的情況卻束手無策，難以直接救生。造價(jià)昂貴[7]，
（4）遙控搜尋飛機(jī)。這種小飛機(jī)上的攝像系統(tǒng)，能夠透過濃煙和黑夜及高溫烈焰，拍攝到現(xiàn)場(chǎng)情況并將信息傳到消防指揮中心。但不能直接救生和滅火。
3 本項(xiàng)目的方案和思路
采用載人直升飛機(jī)等高端設(shè)備需要大量的資金，從安全性和經(jīng)濟(jì)性、普及性等角度考慮則也都不易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)直升機(jī)飛抵火場(chǎng)上空高度，火場(chǎng)特殊氣旋以及大風(fēng)條件下，鋼索及消防器材、人員的重量會(huì)給直升機(jī)的飛行帶來較大影響，飛機(jī)還要克服鋼索、消防水管的糾結(jié)、纏繞以及勾掛在建筑物突出物上等特殊情況，對(duì)飛機(jī)自身的安全也有較大威脅[8]。因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)直升機(jī)救生問題非常復(fù)雜且難以實(shí)用[9]。實(shí)際上，多少年來人們主要還是靠消防人員直接冒險(xiǎn)沖進(jìn)樓內(nèi)或人力攀爬（有的建筑一定高度上可以）來實(shí)施，但少慢差費(fèi)、事倍功半也不安全。如何能“更高”、“更強(qiáng)”、“更省”“更普及”地解決高層建筑消防救生與滅火顯而易見將具有重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。而本項(xiàng)目提出的通過動(dòng)力傘，最終使帶滑輪的繩索反扣騎跨住整個(gè)高樓，把該整個(gè)高樓作為救援索道在高樓高處空中的另一“掛靠物”和“支撐點(diǎn)”，然后進(jìn)行救援裝備的運(yùn)送和人員的救生。這種全新、而奇特的高層建筑消防救生裝置，可以基本不受建筑高度限制，較好地解決高層建筑消防救生（也可適當(dāng)附帶滅火）的難題。加之該設(shè)備結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品實(shí)施非常簡(jiǎn)便易行，廉價(jià)、快捷，特別易于普及使用。
4 減速器
減速器是本裝置中牽引繩索的重要組成部分，它是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場(chǎng)合也用來增速，稱為增速器。減速機(jī)一般用于低轉(zhuǎn)速大扭矩的傳動(dòng)設(shè)備，把電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或其它高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過減速機(jī)上的齒數(shù)少的齒輪嚙合大齒輪來達(dá)到減速的目的。
隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械化水平的不斷提高，對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能也提出了越來越高的要求。齒輪傳動(dòng)由于具有傳動(dòng)比較大、傳動(dòng)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用[1]。齒輪傳動(dòng)在我國已有了許多年的發(fā)展史， 從60年代開始，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步和發(fā)展，我國從世界上許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家引進(jìn)了大量先進(jìn)的傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備和技術(shù)，經(jīng)過我國機(jī)械科技人員不斷積極的吸收和消化，與時(shí)俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新地努力奮進(jìn)，我國的齒輪傳動(dòng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[10] 。我國對(duì)齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了較深入、系統(tǒng)的研究和試制工作。無論是在設(shè)計(jì)理論方面，還是在試制和應(yīng)用實(shí)踐方面，均取得了較大的成就，并獲得了許多的研究成果[3]。
世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如日本、德國、英國、美國和俄羅斯等，對(duì)齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用，生產(chǎn)和研究都十分重視，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳動(dòng)性能，傳動(dòng)功率、轉(zhuǎn)矩和速度等方面均處于領(lǐng)先地位，并研制了一些新型的傳動(dòng)技術(shù)，封閉行星齒輪傳動(dòng)、行星齒輪變速傳動(dòng)和微型行星齒輪傳動(dòng)等早已在現(xiàn)代化的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中獲得了成功的應(yīng)用。圓錐齒輪可用來實(shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng),兩軸交角S稱為軸角，其值可根據(jù)傳動(dòng)需要確定，一般多采用90°。錐齒輪的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設(shè)計(jì)、制造及安裝均較簡(jiǎn)單，但噪聲較大，用于低速傳動(dòng)（＜5m/s）；曲線齒錐齒輪具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小及承載能力大等特點(diǎn)，用于高速重載的場(chǎng)合。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小。由于這一特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圓柱齒輪中的各有關(guān)“圓柱”在錐齒輪中就變成了“圓錐”，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。
設(shè)計(jì)減速器時(shí)應(yīng)根據(jù)工作機(jī)的選用條件，技術(shù)參數(shù)，動(dòng)力機(jī)的性能，經(jīng)濟(jì)性等因素，根據(jù)品種減速器的外廓尺寸、傳動(dòng)效率、承載能力、質(zhì)量等，選擇最適合的減速器[6，8]。
7 此次設(shè)計(jì)的意義
如本項(xiàng)目得到實(shí)施，毋庸贅述，能帶來的各種效益。且不說本項(xiàng)目如何如何節(jié)約成本，僅就其可以達(dá)到其它救生滅火設(shè)備難以達(dá)到的更高樓層救生，以及其可以以極低的成本普及使用，從而把眾多生命從原本無望的高層火災(zāi)死亡的邊緣拉回來，拯救許多寶貴的生命，其價(jià)值和效益是難以計(jì)量的。其它各種經(jīng)濟(jì)的社會(huì)的效益的巨大也是自明的，無需一一列舉。
參 考 文 獻(xiàn)
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
（1） 本課題要研究解決的問題
由于本項(xiàng)目是依據(jù)一種奇特但卻非常簡(jiǎn)便易行的高層建筑消防的全新思路，其結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單，故其具體研究開發(fā)內(nèi)容相對(duì)較為簡(jiǎn)單。
鋼索、消防器材攜帶，鋼索的拖拽與投擲；
控制好消防器材、鋼索的攜帶、拖拽與投擲；
救生繩索的拋射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
絞盤機(jī)的速度及其變速性能控制。
（2）擬采用的研究手段
1. 首先通過網(wǎng)上、圖書館等收集國內(nèi)外在高層消防方面的資料，了解這方面的基本信息，進(jìn)行歸納總結(jié)，特別是對(duì)其中先進(jìn)的技術(shù)成果，加以學(xué)習(xí)、吸收消化，為下面的課題開展做好準(zhǔn)備。
2. 結(jié)合已有的參考資料，按設(shè)計(jì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行可能的實(shí)驗(yàn)計(jì)算，必要時(shí)借助一些設(shè)備。
3. 在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，與同班同學(xué)互相協(xié)作，循序漸進(jìn)的認(rèn)真完成本設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)。
4. 使用學(xué)過的軟件進(jìn)行模擬仿真。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第Ⅰ 頁 共Ⅰ 頁
目錄
1 緒論 1
1.1 課題的研究背景及意義 1
1.2 國外在高層建筑消防救援方面的研究現(xiàn)狀 2
2 本課題的研究項(xiàng)目 3
2.1 簡(jiǎn)析現(xiàn)有的兩種高層救援方案的利弊 3
2.1.1 基于電磁發(fā)射技術(shù)的拋射裝置 3
2.1.2 直升飛機(jī)在高層建筑消防救生 4
2.2 本課題提出的設(shè)計(jì)思路 7
2.3 本方案的獨(dú)特之處 9
2.4 方案具體具體實(shí)施方式 10
3 本項(xiàng)目主要部件設(shè)計(jì)內(nèi)容 15
3.1 減速器的設(shè)計(jì) 15
3.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo) 15
3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算 15
3.1.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 16
3.1.4 帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.1.5 減速器中高速級(jí)圓錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.1.6 減速器中低速級(jí)斜齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.1.7 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 29
3.1.8 滾動(dòng)軸承的選擇及壽命驗(yàn)算 35
3.1.9 鍵連接的選擇與驗(yàn)算 36
3.1.10 聯(lián)軸器的選擇 36
3.2 繩索的選用 36
3.2.1 白棕繩及合成纖維繩 37
3.2.2 鋼絲繩 38
3.3 合適的動(dòng)力傘發(fā)動(dòng)機(jī)選用 44
3.4 動(dòng)力傘安全飛行條例 45
結(jié)束語 46
致謝 47
參考文獻(xiàn) 48
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 49 頁 共 49 頁
1.1 課題的研究背景和意義
隨著科技的進(jìn)步、土地資源的稀貴，高樓（一般指七層以上高度的建筑物）的發(fā)展極為迅速，數(shù)量急劇增加，但隨之而來的火災(zāi)事故數(shù)量也不斷攀升，更要緊的是隨著建筑物高度的增加[1]，消防救援工作難度跟著急劇增加，特別是其中的高層和超高層建筑的消防救援更歷來是一個(gè)世界性難題，直到現(xiàn)在一直沒有一個(gè)綜合性良好的解決方法。這是因?yàn)楦邩鞘Щ鸷螅邩莾?nèi)部樓道往往被大火和濃煙封堵，難以進(jìn)入，消防救援主要靠在高樓外面進(jìn)行，而目前消防部門通常用于滅火的主要裝備如消防水罐車等其滅火噴射高度十分有限，對(duì)高樓層的火災(zāi)則鞭長莫及，而且還不能直接立即實(shí)施救援中的救生項(xiàng)目[2]。相對(duì)有效地救援主要是通過云梯消防車、帶有登高平臺(tái)或舉高的消防車等大型車載攀升或攀扶設(shè)備將人員及或器材送達(dá)所需高度實(shí)施消防救援，但這些設(shè)備絕大多數(shù)最高也只能伸展至53米，相當(dāng)于約十五層樓的高度，而就是這樣的消防裝備對(duì)我國大多數(shù)城市來說也還都不是具備的.因?yàn)殡S著舉升高度的增加其設(shè)備成本急劇上升，許多城市難以承受[3]。目前世界上最高的消防云梯車為荷蘭生產(chǎn)的110米，但也只能達(dá)到約三十幾層高的高度，而其價(jià)格卻極為昂貴，目前我國僅杭州市進(jìn)口了一臺(tái)，但由于這類消防車超大的重量及體積，其通過性、機(jī)動(dòng)性、靈活性、高位負(fù)重能力、營救效率速度及對(duì)地面支承環(huán)境的適應(yīng)性等都較差，特別是其極其高昂的價(jià)格，顯然在未來很長時(shí)期之內(nèi)，中小城市是無法普及的，更致命的是當(dāng)樓層高度超過其使用高度時(shí)無法使用，只能“望樓興嘆”，而現(xiàn)在城市中二、三十層以上高度的高樓已越來越多[3]。
高層建筑消防救援的能力已經(jīng)成為衡量和檢驗(yàn)一個(gè)國家、地區(qū)或城市消防現(xiàn)代化水平和戰(zhàn)斗力的重要標(biāo)志，這是現(xiàn)代化都市所面臨的一項(xiàng)重要課題。特別是美國“9.11”事件再次給世界高層建筑消防安全敲響了警鐘。 因此,能“更高”、“更強(qiáng)”、“更省”“更普及”地解決高層建筑消防救生與滅火顯而易見將具有重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。消防部門急需一種全新的高層建筑消防救生裝置，能夠基本不受建筑高度限制，較好地解決高層建筑消防救生（也可適當(dāng)附帶滅火）的難題。而且設(shè)備結(jié)構(gòu)還要簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品實(shí)施簡(jiǎn)便易行，廉價(jià)、快捷，特別易于普及使用[6]。
1.1 國外在高層建筑消防救援方面的研究現(xiàn)狀
有鑒于高層建筑直接救生滅火設(shè)備開發(fā)與實(shí)施的極端困難性，目前國內(nèi)外高層建筑救生與滅火設(shè)備的最新發(fā)展有以下趨勢(shì)：繼續(xù)研發(fā)更高高度的云梯消防車以及開發(fā)性能更好、適合救火的直升機(jī)，但目前依然實(shí)際困難很大。性能更好的設(shè)備并商品化的目前尚未見到相關(guān)報(bào)道。目前多數(shù)公司或機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)而集中致力于創(chuàng)新、開發(fā)能輔助高層建筑消防救生與滅火的外圍相關(guān)產(chǎn)品，但一般不能直接進(jìn)行救生滅火，主要有以下進(jìn)展趨勢(shì)：
火場(chǎng)機(jī)器人。把帶有視頻頭的機(jī)器人送到著火地區(qū)，特別是可能有毒氣等條件惡劣的地方代替消防人員搜索被困者。美國一個(gè)叫“安娜·肯達(dá)”的搜索機(jī)器人，像一條大蛇，它有三米長，共有22個(gè)節(jié)，頂部的攝像頭能轉(zhuǎn)動(dòng)33個(gè)角度，全方位觀察特定區(qū)域內(nèi)情景。主要適于火場(chǎng)搜索，能輔助救生，但造價(jià)昂貴，不能直接用于高層救生、滅火[7,11]。
超大型超高壓滅火噴槍。基德消防公司是美國聯(lián)合技術(shù)公司旗下的分公司，他們的超大口徑高壓泵，能夠在極短時(shí)間內(nèi)，噴射非常大的滅火水流，或是將滅火泡沫噴至約140米的高空。但較難射中室內(nèi)指定地點(diǎn)，更不能直接救生。
未來型滅火機(jī)器人。德國一公司設(shè)計(jì)了一外形很像是甲殼蟲的未來型滅火機(jī)器人，配備全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航，并攜帶一到數(shù)個(gè)水箱，在遙控中心的指揮下，“自行”前往火區(qū)滅火，使消防人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)?？梢耘罉?，但對(duì)于樓層過高而樓內(nèi)通道受阻的情況卻束手無策，難以直接救生[7,14]。造價(jià)昂貴。
遙控搜尋飛機(jī)。這種小飛機(jī)上的攝像系統(tǒng)，能夠透過濃煙和黑夜及高溫烈焰，拍攝到現(xiàn)場(chǎng)情況并將信息傳到消防指揮中心。但不能直接救生和滅火。
2 本課題的研究項(xiàng)目
通過分析國內(nèi)外現(xiàn)有的高層救生方案的弊端，提出了一種適于中國現(xiàn)有城市環(huán)境的高層救援方案，此方案可以基本不受建筑高度限制，較好地解決高層建筑消防救生（也可適當(dāng)附帶滅火）的難題。
2.1 簡(jiǎn)析現(xiàn)有的兩種高層救援方案的利弊
2.1.1 基于電磁發(fā)射技術(shù)的拋射裝置
此技術(shù)是將滅火裝置和救援器材等消防救援裝備以較低的速度由高層建筑的窗口發(fā)射到內(nèi)部供給消防隊(duì)員和被困人員開展滅火救生行動(dòng)，為實(shí)施滅火救援工作提供保障。
拋射器結(jié)構(gòu)原理拋射器基于電磁發(fā)射技術(shù)，基本結(jié)構(gòu)為電磁炮[8]?！ ?
圖1為拋射器的結(jié)構(gòu)示意圖。在導(dǎo)軌炮的兩條平行導(dǎo)軌之間設(shè)置彈射體，彈射體與重接炮的支撐座固定連接；支承座的兩側(cè)設(shè)置重接炮的線圈，與重接炮線圈垂直的方向上對(duì)稱設(shè)置兩塊擋板；兩塊擋板之間的空間用于裝載拋射體。在此結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)軌炮水平設(shè)置，用于給拋射體一個(gè)水平方向上的速度，線圈炮豎直設(shè)置，用于給拋射體一個(gè)豎直方向上的初速度，在導(dǎo)軌炮和重接炮的配合作用下，拋射體在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向上做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，拋射體的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條拋物線，通過控制水平速度和豎直速度，使拋物線的最高點(diǎn)作為進(jìn)入高層建筑窗口的入射點(diǎn)。
圖1 拋射器的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中1．導(dǎo)軌炮2．重接炮線3．拋射體1．殼體2．吊環(huán)3．支撐輪4．鉸支架4．擋板5．支撐座6．彈射體5．繩盤6．繩索
此設(shè)計(jì)雖然成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可是存在幾個(gè)很嚴(yán)重的問題：1.實(shí)際參加過救援的人員都知道，這類動(dòng)力發(fā)射裝置準(zhǔn)確性極差，即使建筑物上有門窗等，因掛靠物很高，而且又很小，因此很難命中，樓層越高問題越大，命中率會(huì)急劇下降，不知要發(fā)射多少次也難以命中，且不談累計(jì)發(fā)射成本高低，更要緊的是每次失敗都還要收回已發(fā)射的繩索長度（接近高樓高度）包括錨勾等一整套裝置機(jī)構(gòu)并重新進(jìn)行安裝發(fā)射，火場(chǎng)極其寶貴的時(shí)間會(huì)被大段地浪費(fèi)，而每一分鐘都可能意味著生命的代價(jià)。2.由于射擊準(zhǔn)確度太低，有可能會(huì)打到其它窗戶或門內(nèi)，即時(shí)射擊命中，但由于對(duì)窗戶或門里面人員情況不明還可能會(huì)發(fā)生次生危險(xiǎn)，不夠安全。3. 該設(shè)計(jì)要求作為空中另一支點(diǎn)的掛靠物強(qiáng)度應(yīng)保證達(dá)到500公斤以上（其實(shí)安全余量是不夠的），以便一人先上去重新掛靠牢實(shí)，但遇到較高樓層，需攜帶的繩索會(huì)很長（意味著繩重量更重），而這類攜繩拋繩器負(fù)重又非常有限，因此繩索只能很細(xì)，承載能力自然降低，一人緣該繩爬高救生其安全性令人擔(dān)憂，以致實(shí)際上當(dāng)樓很高時(shí)往往會(huì)無法實(shí)施所述的一人先行緣繩上去。就算一人可以先上去，卻不能在第一次就立即多人及或重器材一同上去，這也浪費(fèi)了許多寶貴的救火時(shí)間，更要緊的是，失火現(xiàn)場(chǎng)建筑物特別是很高的高樓上被錨定鉤住的掛靠物所在距離很遠(yuǎn)，固定物自身的牢固程度很難看清或很快判定，錨定裝置是否已牢靠地抓、掛、勾住固定物還是僅僅掛了固定物的一個(gè)邊角或其松軟不結(jié)實(shí)之處等也都很難確定，而每座高樓的情況又是千差萬別的，在緊急的火場(chǎng)氛圍下是很難快速做出無誤判斷的，而掛靠物的牢靠與否事關(guān)待救人員與消防人員的生命安全，如看不清而僅靠現(xiàn)場(chǎng)拍腦袋估計(jì)掛靠物的牢度和可靠程度，這對(duì)消防救援工作可是一個(gè)大忌，要冒很大的風(fēng)險(xiǎn)，用于實(shí)戰(zhàn)裝備還存在很大問題，而作為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)方案更必須完全可靠和安全才能被消防部門作為一種正常的消防方法接受和使用，發(fā)射錨定后先人工試?yán)磸?qiáng)度可否，不行就再重新發(fā)射，也正是此意，但人命關(guān)天，這試一試可不是簡(jiǎn)單的拉一拉就能確定的，即使能確證強(qiáng)度不行，這重新收回再發(fā)射又可能浪費(fèi)大量的寶貴營救時(shí)間[4,9]，這也可以說是這一方法的另一個(gè)致命傷了。 4.不少實(shí)際的高層建筑物立面墻上或救援點(diǎn)附近立面墻上根本沒有明顯的凹凸物、窗門、陽臺(tái)等可附著物，墻面大面積幾乎全是“光面”，如玻璃幕墻或類似物等，此法則很難實(shí)施或要浪費(fèi)很多周折和時(shí)間來解決，更不用說快速準(zhǔn)確定點(diǎn)救援了，這在火場(chǎng)救援中也差不多是一個(gè)很大的致命傷了，5.采用壓縮空氣做動(dòng)力的拋射體其飛行高度有限，何況還要負(fù)重，而且樓越高需繩越長，負(fù)重也越大，拋射高度自然越低，因此遇到很高的樓層很可能無法實(shí)施該方案，這也是一個(gè)大大的問題。
2.1.2 直升飛機(jī)在高層建筑消防救生
直升機(jī)被越來越廣泛地應(yīng)用到消防領(lǐng)域，如森林火災(zāi)的撲救、高層建筑火災(zāi)的救援。隨著城市中摩天大樓高度的不斷增加，利用直升機(jī)將消防隊(duì)員和裝備運(yùn)到發(fā)生火災(zāi)的高層建筑頂部執(zhí)行搜索、救援和火災(zāi)撲救任務(wù)的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，已經(jīng)引起國際消防界的高度重視。
(1) 直升機(jī)在高層建筑消防救援中的應(yīng)用現(xiàn)狀
直升機(jī)最初被廣泛用于森林火災(zāi)撲救，20世紀(jì)60年代末才開始擴(kuò)大到城市消防領(lǐng)域。1966年11月1日，日本東京成立了第一支空中消防隊(duì)，標(biāo)志著直升機(jī)真正開始應(yīng)用于城市建筑物消防救災(zāi)。在隨后的二十年內(nèi)，特別是美國的部分大城市在70年代中后期陸續(xù)規(guī)定高層建筑物頂層需設(shè)有供直升機(jī)起降的救生平臺(tái)，為直升機(jī)真正廣泛地用于高層建筑救援和消防奠定了重要基礎(chǔ)[9,11]。
由于直升機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活的飛行特性，包括起降限制條件少、空中停留盤旋、任意方向前進(jìn)后退等。因此，在消防救災(zāi)行動(dòng)中，較之消防車，直升機(jī)具有無可替代的優(yōu)點(diǎn)。直升機(jī)在高層建筑物火災(zāi)的搶救中主要具有5個(gè)方面的作用，即救助被困人員、火災(zāi)偵查、現(xiàn)場(chǎng)指揮、運(yùn)載人員和裝備以及直接滅火。
2009年5月29日，上海政府飛行隊(duì)暨上海市公安局警務(wù)飛行大隊(duì)成立，上海市配置消防直升機(jī)的事宜也已提上日程，而且已經(jīng)進(jìn)入機(jī)型篩選階段。在為中國城市飛速發(fā)展和城市管理手段日新月異感到自豪的同時(shí)。也認(rèn)識(shí)到直升飛機(jī)在城市中的運(yùn)用卻有以下幾個(gè)重要缺陷。
(2) 航空環(huán)境不夠理想
一般情況下，城市使用直升機(jī)的活動(dòng)空間在500米以下。而目前，我國空域是由國家空管辦委托空軍實(shí)施管理的，出于戰(zhàn)略安全需要，空軍對(duì)我國600米以下的低空飛行管制還是比較嚴(yán)格的，涉及的限制條件較多、審批環(huán)節(jié)較多、審批時(shí)間較長，而城市高層建筑消防救援最基本的要求就是快速及時(shí)，嚴(yán)格繁瑣的審批手續(xù)是制約直升機(jī)進(jìn)行救援的重要因素之一。即便空軍同意執(zhí)行“制定計(jì)劃，先飛后報(bào)[14]制度，但對(duì)于高樓分布十分廣泛的特大型城市而言，也難以事先制定全面的飛行計(jì)劃，也就是說，不改變現(xiàn)行空管制度，就無法真正發(fā)揮直升機(jī)快速反應(yīng)、及時(shí)救險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)[13]。
同時(shí)，由于我國通用航空發(fā)展滯后，政府和公眾對(duì)航空安全事故的承受能力普遍較低?？梢哉f，如果航空環(huán)境不發(fā)生重大改變，哪怕僅僅一起墜機(jī)事故就可能大大延緩直升機(jī)在城市高層建筑消防救援中的應(yīng)用進(jìn)程。
(3) 技術(shù)問題難以回避
直升機(jī)雖然有許多無法替代的優(yōu)勢(shì)，但并非無所不能。由于高層建筑物火災(zāi)搶救在城市有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，因此，直升機(jī)所能發(fā)揮的作用也會(huì)因許多因素影響而受到限制。
首先，城市中心高層建筑林立，街道的寬度有限，還有狹窄的里弄，遠(yuǎn)小于直升機(jī)安全操縱的有效空間。其次，高層建筑火災(zāi)發(fā)生時(shí)，大量上升的火災(zāi)熱氣流及燃燒生成的煙霧干擾等都不利于直升機(jī)接近起火建筑物，而且各種建筑物附屬構(gòu)造物，如架空線、廣告板等設(shè)施，不但妨礙直升機(jī)救災(zāi)，還可能造成直升機(jī)發(fā)生意外事故。第三，若無法適度擊碎建筑物玻璃外墻，則直升機(jī)介入火災(zāi)搶救的功能就會(huì)受到相當(dāng)限制，但破壞建筑物的玻璃外墻的動(dòng)作相當(dāng)困難，一旦建筑物內(nèi)火勢(shì)擴(kuò)大已達(dá)到最盛時(shí)期，直升機(jī)就已失去使用的最佳時(shí)機(jī)。第四，直升機(jī)本身可裝載的水量極其有限，如何中繼供水以補(bǔ)充消防用水，不僅任務(wù)相當(dāng)艱巨而且會(huì)損失救援時(shí)間；即便中繼供水問題可以解決，由于直升機(jī)直接射水滅火，因距離與空間的限制、水損等二次災(zāi)害的損失也難以預(yù)料。到目前為止，這些影響因素仍然是困擾直升機(jī)用于高層建筑消防救援的難題，必須經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間來研究解決[10,11]。
(4) 基本飛行條件尚未具備
高層建筑都有自身的安全消防體系，同時(shí)，由于技術(shù)和安全等方面的原因，一般情況下很少直接使用直升機(jī)進(jìn)行高層建筑物消防救援，目前僅在日本、美國等少數(shù)國家有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但這必須與飛行環(huán)境和直升機(jī)飛行操作水平、消防技術(shù)水平和高樓樓頂平臺(tái)建設(shè)等密切配合，顯然中國城市還不具備相關(guān)條件。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
目前，我國航空飛行環(huán)境尚不理想，在直升機(jī)應(yīng)用方面也僅處于起步階段，這造成了我國民用直升機(jī)管理尚在起步階段，未形成系統(tǒng)、完善的管理體制、運(yùn)行機(jī)制和保障制度；直升機(jī)飛行和后勤保障的專業(yè)人才缺乏，特別是飛行員大多是部隊(duì)轉(zhuǎn)業(yè)人員，缺乏在林立的高樓間穿梭執(zhí)行消防救災(zāi)任務(wù)的專業(yè)技能、以及成熟的救助戰(zhàn)術(shù)及救助經(jīng)驗(yàn)；許多區(qū)域架空線網(wǎng)密集，高樓兩側(cè)和樓頂?shù)膹V告板較多，高層建筑障礙燈等助航設(shè)施管理也存在空白，這些都對(duì)直升機(jī)飛行構(gòu)成了極大的安全隱患，但要得到全面治理，并非一朝一夕可以實(shí)現(xiàn)[8]。
2.2 本課題提出的設(shè)計(jì)思路
鑒于上文提到的直升飛機(jī)在城市高層消防中運(yùn)用所遇到的弊端，本文設(shè)想出的方案為用可攜繩的動(dòng)力飛行器(可以是載人動(dòng)力傘、傘翼機(jī)或無人遙控的）；將第1段該繩索分別卷繞成兩個(gè)繩團(tuán)并攜帶，在飛到高樓頂一側(cè)墻上空附近時(shí)先人工或遙控或線控向地面拋下其中一個(gè)繩團(tuán)，然后在飛跨過高樓頂面到達(dá)另一墻側(cè)上空附近時(shí)再向地面人工或遙控或線控拋下另一繩團(tuán)，同時(shí)一并使第1段繩索與動(dòng)力飛行器分離，使第1段繩索反扣騎跨在高樓頂面及兩墻側(cè)至樓的下面；第1段繩索可以繞成一個(gè)或分繞成兩個(gè)繩團(tuán)，其需拋脫繩團(tuán)的繩端或所繞的骨架卷筒上還可附帶連接小降落傘，當(dāng)空中拋繩團(tuán)時(shí)由其自行打開減速。由動(dòng)力飛行器攜帶第1段繩索并從空中拋脫下，使其騎跨在高樓頂面及兩側(cè)墻面至下面，然后將其一端連在下面的牽引裝置上，另一端連接第2段繩索一端，然后由牽引裝置牽引第1段繩索，從而使第2段繩索也跟著第1段繩索被牽引而騎跨在高樓頂面及兩側(cè)墻面至下面，同樣地，再將該第2段繩索的一端與前已使用過的或另設(shè)置的牽引裝置相連，而另一端連接第3段繩索一端，由牽引裝置牽引第2段繩索從而使第3段繩索也跟著被拖拽……，同理，繼續(xù)順次逐段接力連接并牽引第4段繩索……第N.1段繩索……直至最后一段..第N段繩索也跟著第N.1段繩索被牽引而騎跨在高樓頂面及兩側(cè)墻面至下面，將該第N段繩索的一端與前已使用過的或另設(shè)置的牽引裝置相連，另一端則連接定滑輪部件，由牽引裝置繼續(xù)牽引使定滑輪部件連同繞經(jīng)定滑輪的升降繩索一起上升至需要的樓層高度，然后將第N段繩索連接牽引裝置一側(cè)的繩段保持固定不動(dòng)或固連在能與地面保持相對(duì)靜止的物體上，再由前已使用過的或另設(shè)置的牽引裝置往復(fù)牽引繞經(jīng)空中定滑輪的升降繩索從而將與升降繩索相連的人及或器材緣繩往復(fù)升降進(jìn)行救援。
這種用于高樓消防救援的跨頂錨索緣繩式高樓消防救援裝置，主要包括：定滑輪部件；繩索；繞經(jīng)定滑輪的升降繩索；牽引裝置及牽引繩索技術(shù)；可攜繩的動(dòng)力飛行器及其使用技術(shù)以及繩索攜帶與拋脫技術(shù)；繩索與繩索之間、繩索與牽引裝置之間、繩索與人員及或器材之間的相互連接技術(shù)及連接所用的器件器具以及它們各自的接頭器件器具。值得一提的是：各段繩索按第1段繩索、第2段繩索、第3段繩索……第N.1段繩索、第N段繩索依次順序排列，其承載能力依次順序遞增，其中第N段為各段中承載能力最大也是最后一段繩索；所述的繩段的N值最少可為N=1，即僅有第1段同時(shí)也是最后一段繩索。第1段至第N段繩索，其各段長度除應(yīng)滿足騎跨在高樓頂面及兩側(cè)墻面至下面的長度以供在樓兩側(cè)下邊能夠一端與牽引裝置相連，同時(shí)另一端能夠連接后續(xù)一段繩索一端外，還應(yīng)留有滿足救援現(xiàn)場(chǎng)要求所需的足夠長度余量以便于或拋繩或卷繩或放繩或綁扎或安全等需要。繞經(jīng)定滑輪的升降繩索的兩側(cè)繩段下端均可連接牽引裝置以更便于升降繩索往復(fù)升降，且也可以兩側(cè)繩段都與人員及器材相連接。
用于牽引各段繩索的牽引裝置，可以不是用同一臺(tái)或幾臺(tái)，也可以使用不同的牽引裝置，不僅如此，牽引裝置還可以各自包含一個(gè)以上轉(zhuǎn)速不同的可牽引卷筒。
牽引裝置可以是機(jī)動(dòng)的也可以是人力驅(qū)動(dòng)的，可以是單向的也可以是雙向正反轉(zhuǎn)的；機(jī)動(dòng)的可包括電動(dòng)或內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力的，這其中還包括含有內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電來供電給由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)并帶減速器的卷揚(yáng)機(jī)裝置；可以是不變速的也可以是有級(jí)或無級(jí)變速的，變速的還可以是含周轉(zhuǎn)輪系或定軸輪系型減速器，如圓柱或行星齒輪減速器；人力驅(qū)動(dòng)的還可以是人力直接拖拉牽引而不一定是卷繞；
特別地，牽引裝置（包括升降繩索12的牽引裝置）還可以是由汽車如消防車直接連接并拖拽牽引一含有一個(gè)及以上滑輪的動(dòng)滑輪組部件前行，另一與之相配合的也含一個(gè)及以上滑輪的定滑輪組部件則固定在地面或能與地面保持相對(duì)靜止的物體如靜止的汽車、建筑物等；需牽引的各段繩索或升降繩索從高處下來繞過定滑輪組部件中的一個(gè)滑輪并按公知技術(shù)往來穿繞在定滑輪組部件與動(dòng)滑輪組部件各滑輪及之間，繩尾則固定在定滑輪組部件上或其它與地面相對(duì)靜止的物體上如靜止的汽車等；兩滑輪組部件其各自滑輪的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)上可以是在同一軸上，也可以是相互平行的軸上；顯然作為其中的特例，也可改由汽車直接連接并牽引繞經(jīng)定滑輪機(jī)構(gòu)的各段繩索或升降繩索前行，同樣，其定滑輪機(jī)構(gòu)固定在與地面保持相對(duì)靜止的物體上如靜止的汽車或建筑物上，如車輛牽引各段繩索或升降繩索需繞建筑物墻角轉(zhuǎn)彎，則可在墻角拐角上加裝轉(zhuǎn)向定滑輪，其定滑輪座結(jié)構(gòu)制成近似墻拐角的直角以便貼、騎在墻拐角上，繞定滑輪的繩兩邊的拉力會(huì)使其自動(dòng)緊貼、騎在墻角上。
定滑輪部件中的輪架尺寸應(yīng)能遮擋或罩住定滑輪而只朝下露出或空出升降繩索部分，使運(yùn)動(dòng)的定滑輪及繞經(jīng)定滑輪的繩索不與墻立面接觸。
2.3 本方案的獨(dú)特之處
由于繩索反扣騎跨住整個(gè)高樓，即把該整個(gè)高樓作為救援索道在高樓高處空中的另一“掛靠物”和“支撐點(diǎn)”，徹底解決了現(xiàn)有技術(shù)方案一直未解決好的如何在高樓高處空中尋找穩(wěn)定、安全可靠的“掛靠物”或“支撐點(diǎn)”等關(guān)鍵性難題，特別是同時(shí)采用了獨(dú)特的繩索按承載能力分段順序遞增并逐段連接接力不斷增強(qiáng)技術(shù)，并以其樓頂面作為繩索的“滑動(dòng)支撐面”，使繩索由“最細(xì)”的第1段接力直至過渡轉(zhuǎn)換到“最粗”其承載能力達(dá)到滿足救援現(xiàn)場(chǎng)所需的最后一段..第N段繩索；正是因?yàn)椴捎昧酥鸲谓恿^渡，才可以容許第1段繩索承載能力很小、很細(xì)（意味著很輕），從而也才可以自然地采用負(fù)重很小、僅僅只需攜送第1段一段輕的“細(xì)”繩，因而動(dòng)力飛行器價(jià)格可以更低廉也隨之更安全。由此特別是將上述幾種新技術(shù)的同時(shí)綜合運(yùn)用使本技術(shù)方案突破了人們?nèi)菀壮霈F(xiàn)的思維定勢(shì)和偏見，較好地解決了人們長期以來一直渴望解決的問題，明顯克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的一些大的缺陷或不足，解決了一系列主要問題，并由此產(chǎn)生了一系列明顯的（有些是預(yù)料不到的）有益效果，主要有： 1.由于采用繩索反扣住大樓，繩索的“掛靠物”不是某個(gè)牢靠性難以判定的“點(diǎn)”，而是整個(gè)高樓，徹底解決了如何尋找救援繩索在空中的另一“支點(diǎn)”難題和“掛靠物”是否牢靠的難題，安全性得到了完全徹底的保障；2.它不需要大樓各處或待救援點(diǎn)附近必須有可掛靠物，即對(duì)無明顯掛靠物或即使有但掛靠物牢靠與否現(xiàn)場(chǎng)難以判定的高樓同樣有效，更不需要大樓自帶或預(yù)先安裝好的任何裝置或機(jī)構(gòu)；3.它瞄準(zhǔn)的不是掛靠物的 “點(diǎn)”，而只是救援點(diǎn)豎直線的樓頂上空，即它把對(duì)準(zhǔn)“點(diǎn)”，變成了對(duì)準(zhǔn)“線”，且對(duì)準(zhǔn)的不是掛靠物的“點(diǎn)”（掛靠物往往偏離救援點(diǎn)）而是直接的救援點(diǎn)所在的“線”，即只需對(duì)準(zhǔn)救助點(diǎn)豎直線上的樓頂上空拋脫放繩到樓兩面即可，而且這其中許多種動(dòng)力飛行器飛行方向還可控制，這自然更加自由和可控，定位準(zhǔn)確率大大提高，進(jìn)行定點(diǎn)救援更加容易、更加精準(zhǔn)、快速、便利；4.繩索是按承載能力分段并逐段遞增進(jìn)行連接接力拖拽過渡轉(zhuǎn)換來不斷增加后續(xù)繩索的承載能力，故第1段繩索可以很細(xì)很輕，也正因?yàn)榈谝欢卫K索可以很細(xì)，也就自然可以采用負(fù)重很有限的小型動(dòng)力攜繩飛行器，從而價(jià)格可以很低、易普及且安全性也隨之跟著提高，而最后一段的第N段繩索又可以按需要過渡到很粗、承載能力很大，理論上沒有限制，可以完全滿足承載能力要求，無需按現(xiàn)有技術(shù)那樣需先試試強(qiáng)度可靠與否再?zèng)Q定一人先上去重新設(shè)法掛靠固定牢實(shí)等的多次周折，而可以直接多人及或重器材同時(shí)往復(fù)升降，其安全性得到了完全保障，大大減少了時(shí)間的浪費(fèi)； 5.即使樓很高，繩索需很長，但因是分段接力，第1段繩索因可不載人而仍然可以選的很細(xì)，重量自然不會(huì)增加太多，也即飛行器負(fù)重不會(huì)增加太多，加之還可以使用上述負(fù)重能力相對(duì)更強(qiáng)的許多種動(dòng)力飛行器，其救援高度可以比以壓縮空氣或彈簧力等作為發(fā)射動(dòng)力的更高，不會(huì)出現(xiàn)因樓太高而無法實(shí)施救援的可能，真正做到完全不受高樓高度的限制；6.因只需一次就能成功，避免了上述現(xiàn)有技術(shù)在多種情況下因重復(fù)發(fā)射、操作而導(dǎo)致的寶貴的營救時(shí)間的大量浪費(fèi)，這在火場(chǎng)救援也是極其重要的；7.不會(huì)造成因向掛靠點(diǎn)高速發(fā)射拋射物而造成窗、門內(nèi)人員可能的二次傷害。
2.4 方案具體實(shí)施方式
圖2是本的跨頂錨索緣索式高樓消防救援裝置示意圖。
圖2 跨頂錨索緣索式高樓消防救援裝置示意圖
圖中1.第1段繩索，2.繩團(tuán)，3.骨架卷筒，4.小降落傘， 5.動(dòng)力飛行器， 6.某一牽引裝置，7. 繩筒，8.第N段繩索，9.卷盤，10.定滑輪部件，11.定滑輪，12.升降繩索，13.輪架。
高樓需救援時(shí)（也包括與高樓有關(guān)的非火災(zāi)的升降救援，如高樓解困、救生、反恐等），可由機(jī)動(dòng)車輛裝載本救援裝置到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，其中救援裝置的車輛運(yùn)載采用公知的技術(shù)（顯然如采用能載人的動(dòng)力飛行器5時(shí)也可直接駕駛并攜帶其中的第1段繩索1等到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)）；
采用公知的可攜繩的動(dòng)力飛行器5（大都已商品化）與技術(shù)以及采用公知的攜繩與拋脫繩技術(shù)；可攜繩的動(dòng)力飛行器5可以是載人動(dòng)力傘、傘翼機(jī)或無人遙控的；可以是載人直升機(jī)也可以是無人遙控或線控的；可以是動(dòng)力拋繩器、火箭包括可遙控或線控的且其動(dòng)力可以是壓縮空氣或火藥或燃料式。
所述繩索包括升降繩索的材料可以是金屬的也可以是非金屬的，繩結(jié)構(gòu)上可以是單股或多股的絲繩，如各種鋼絲繩、各種化纖繩、塑料繩、棉麻繩，如尼龍、錦綸、氨綸、丙綸、白棕等絲繩或它們之間的混合絲繩，結(jié)構(gòu)上也可以是金屬鏈條或金屬環(huán)鏈。
將救援現(xiàn)場(chǎng)需使用的各段繩索先按第1段繩索1、第2段繩索、第3段繩索……第N.1段繩索、第N段繩索8順序依次排列，其承載能力拉的承載能力，依次順序遞增，其中第N段是各繩段中承載能力最大、自然也是滿足救援現(xiàn)場(chǎng)使用的最后一段繩索。
為節(jié)省火場(chǎng)救援時(shí)間，其中第1段繩索1最好事先根據(jù)拋投方式繞成一個(gè)繩團(tuán)2或分繞成兩個(gè)繩團(tuán)，并最好繞在骨架卷筒3上，以便于攜帶或拋脫或放繩,且其需拋投的繩團(tuán)或所繞的骨架卷筒3上還可附帶連接小降落傘4（可采用公知的簡(jiǎn)單連接方法如直接綁扎或勾住并適當(dāng)折疊等即可，如類似市售的帶小降落傘的爆竹那種），當(dāng)空中拋繩時(shí)由其自行打開減速，以防止砸傷地面人員，使之更安全。同樣，為節(jié)省救援現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間，其余各繩段最好也能在被牽引前事先按第2段、第3段、第4段……第N.1段、第N段順次相接連接好，并最好也整齊地卷繞在可自由放繩的繩筒7上，附圖中的某一牽引裝置6特指牽引裝置不一定是用同一臺(tái)的，也即可以使用不同的牽引裝置。
先由動(dòng)力飛行器5攜帶并拋脫相對(duì)后續(xù)各段繩索承載能力最小的第1段繩索1,拋脫可以這樣進(jìn)行，按上述方法所述將第1段繩索1分別卷繞成兩個(gè)繩團(tuán)并一同攜帶在動(dòng)力飛行器5上，在飛到高樓頂一側(cè)墻上空附近時(shí)先人工或遙控或線控向地面拋下其中一繩團(tuán)，然后在飛跨過高樓頂面到達(dá)另一墻側(cè)上空附近時(shí)再向地面人工或遙控或線控拋下另一繩團(tuán)并同時(shí)使繩索與動(dòng)力飛行器5一并分離（拋脫的同時(shí)可自然地一并使第1段繩索1與動(dòng)力飛行器5分離），使第1段繩索1呈類似倒U形反扣騎跨在高樓頂面及兩墻側(cè)至樓的下面；當(dāng)然也可將第1段繩索1卷繞成一個(gè)繩團(tuán)2并將其一端固定在下面，由攜繩動(dòng)力飛行器5邊攜帶該繩團(tuán)2邊使其自由放繩，待飛跨過高樓頂?shù)降竭_(dá)高樓另一墻側(cè)上空附近后再人工或遙控或線控向地面拋下因自由放繩而余下的該繩團(tuán)或不拋脫下而直接隨動(dòng)力飛行器5繼續(xù)飛行并繼續(xù)自由放繩直至與動(dòng)力飛行器5一同降落至地面，當(dāng)然也可改該繩團(tuán)2放在樓下面并自由放線而由動(dòng)力飛行器5僅拖拽著繩一端飛跨過樓頂至降落，，地面上的繩團(tuán)2則自由放繩，其間飛行方向如可遙控或線控則更好。
顯然，為后續(xù)救援時(shí)能比較接近救援點(diǎn)，便于緣繩索救援，上述中動(dòng)力飛行器5在拋脫繩或發(fā)射繩時(shí)，應(yīng)盡可能對(duì)準(zhǔn)待救援點(diǎn)所在位置的豎直線。
最終使這第1段繩索1呈類似倒U形反扣騎跨在高樓頂面及兩側(cè)墻面至下面，這時(shí)即可將其一端連在下面的牽引裝置上，另一端連接第2段繩索一端，然后由牽引裝置牽引第1段繩索1，從而使第2段繩索也跟著第1段繩索被拖拽而騎跨在高樓頂面及兩側(cè)墻面至下面，同樣地，再將該第2段繩索的一端與前已使用過的或另設(shè)置的牽引裝置相連，而另一端連接第3段繩索一端，由牽引裝置牽引第2段繩索從而使第3段繩索也跟著被拖拽……，同理，繼續(xù)順次逐段接力連接并拖拽第4段繩索……第N.1段繩索……直至最后一段..第N段繩索8也跟著第N.1段繩索被牽引而騎跨在高樓頂面及兩側(cè)墻面至下面，將該第N段繩索8的一端與前已使用過的或另設(shè)置的牽引裝置相連，另一端則連接定滑輪部件10，由牽引裝置繼續(xù)牽引使定滑輪部件10連同繞經(jīng)定滑輪11的升降繩索12一起上升至需要的樓層高度即可，然后將第N段繩索8連接牽引裝置側(cè)的繩段保持固定不動(dòng)或固連在能與地面保持相對(duì)靜止的物體上，然后由前已使用過的或另設(shè)置的牽引裝置往復(fù)牽引繞經(jīng)空中定滑輪11的升降繩索12從而將與升降繩索12相連的人及或器材緣繩往復(fù)升降進(jìn)行救援。
N的數(shù)值既是繩段的順序代號(hào)，同時(shí)又是繩索分段的總段數(shù)，N越少也就意味著繩的段數(shù)越少，也即意味著需空拖接力繩索的次數(shù)越少，浪費(fèi)的時(shí)間也就越少，故應(yīng)盡量減少N的值，以加快救援速度，為此，只要承載能力達(dá)到救援現(xiàn)場(chǎng)對(duì)繩索所需的要求的即可考慮作為最后一段..第N段繩索8，自然也是各繩段中承載能力最大的；繩索的N值最少可為N=1，即僅有第1段并自然也是最后一段，也即該第1段繩索1已經(jīng)達(dá)到能滿足救援現(xiàn)場(chǎng)所需的承載能力要求，這當(dāng)然最好，但第1段繩索1承載能力大小的選擇與動(dòng)力飛行器5的負(fù)重能力和樓高長度有關(guān)，動(dòng)力飛行器5通常多從經(jīng)濟(jì)性及安全性等方面考慮而選小些的，但小的飛行器負(fù)重能力自然會(huì)減少，如遇到樓房又比較高，繩長度相應(yīng)要增加，繩只能更細(xì)，繩承載能力自然不能選高，因此僅用該第1段繩索1往往不能滿足救援現(xiàn)場(chǎng)的承載能力要求，也即不能直接作為最后一段即第N段繩索8使用；動(dòng)力飛行器5的負(fù)重越小、樓越高，繩索所需的段數(shù)與接力次數(shù)就越多，這就要綜合權(quán)衡考慮，但一般對(duì)高200米以內(nèi)的高樓，N為3到4段已經(jīng)足夠，至少從目前國內(nèi)現(xiàn)有高樓的高度來看，N取值一般不大可能大于6，為此一般可這樣處理，對(duì)第1段繩索1主要根據(jù)動(dòng)力飛行器5有效負(fù)重能力及與樓高有關(guān)的繩索長度來考慮，在此條件下盡量選承載能力大些的繩索，而對(duì)第N段繩索8則主要根據(jù)救援現(xiàn)場(chǎng)所需的能直接安全承載拖拽和錨定住圍繞定滑輪進(jìn)行的人員及或器材升降救援要求來確定，然后再根據(jù)所確定的這一頭一尾兩繩索來分配好其余中間各繩段承載能力增加的幅度及段數(shù)，中間各段繩索承載能力增大的幅度主要應(yīng)考慮要能保證與各自緊相連的前一段繩索在處于拖拽本繩段的狀態(tài)時(shí)不會(huì)因本繩段承載能力一下子增加的過多，而導(dǎo)致拖拽力、重力與摩擦力等的大幅增加而致處于拖拽狀態(tài)的前段繩索超載損壞或斷裂，在此條件下可盡量增加本繩段承載能力，以減少所需接力的繩索段數(shù)；另外，在考慮設(shè)置繩段數(shù)時(shí)如能注意到只有第N段因與承載人有關(guān)其安全余量不得不按規(guī)定取很大，而其它各段繩索因只是拖拽不帶人的繩索，故安全余量可很小，注意到這一點(diǎn)，可大大減少繩的段數(shù)。
升降繩索12承載能力的考慮則比較簡(jiǎn)單，定滑輪11等阻力也不大，無定滑輪11放大一倍載荷的副作用，其承載能力只要能滿足救援現(xiàn)場(chǎng)直接安全承載拖拽人員及器材往復(fù)升降要求，按公知的安全規(guī)定及安全余量要求選用即可。
各段繩索，注意其長度除應(yīng)滿足呈類似倒U形反扣住整個(gè)高樓的長度以供在樓下兩邊能夠一端與牽引裝置相連，同時(shí)另一端能夠連接后一段繩索一端外，還應(yīng)留有滿足現(xiàn)場(chǎng)要求所需的足夠長度余量以便于或拋繩或卷繩或放繩或綁扎或安全等現(xiàn)場(chǎng)各方面的需要。
定滑輪部件10由第N段繩索8拖拽上升的高度按救援現(xiàn)場(chǎng)需要確定，一般要高于救援點(diǎn)位置以便于救援，但顯然不要超過樓頂，更不要拖拽到樓頂面上，以免升降繩索12時(shí)與樓邊緣拐角摩擦致升降繩索12滑轉(zhuǎn)不暢和損傷；比較有利的高度是使定滑輪部件10與第N段繩索8的相互連接處能騎在樓頂?shù)墓战巧蠟楹?，這樣第N段繩索能避免與拐角的摩擦以及被強(qiáng)行彎折致受力不好，且因急劇轉(zhuǎn)折使之有點(diǎn)類似自鎖的功效，顯然這時(shí)的第N段繩索8在樓下固定它的力也可減小，繩安全余量及可靠性自然提高，提高了固定的牢靠性。
定滑輪部件10上升至需要的樓層高度確定后，即可將第N段繩索連接牽引裝置一側(cè)的繩段設(shè)法收緊固定住不動(dòng)，如錨定、連接、掛靠等固連在與地面能保持相對(duì)靜止不動(dòng)的物體上，如固連在重物或高樓自身門窗或附近建筑物或其它固定物上等，當(dāng)然如采用含減速器的卷揚(yáng)機(jī)時(shí)，最簡(jiǎn)單的辦法是當(dāng)?shù)贜段繩索8已卷繞一部分在卷筒上時(shí)可使?fàn)恳b置的卷筒處于剎車狀態(tài)；第N段繩索8被固定后，所連的定滑輪部件12即被錨定在高空需要的高度位置，然后由定滑輪11所在墻側(cè)下的牽引裝置連接并往復(fù)牽引繞經(jīng)定滑輪11的升降繩索12的一側(cè)段一端，從而將與另一側(cè)段相連的人及或器材緣繩往復(fù)升降進(jìn)行消防救援，升降繩索12兩側(cè)繩段都可各連一牽引裝置以更為方便地進(jìn)行往復(fù)升降卷繞升降繩索12，當(dāng)然，兩側(cè)段都連有人及或器材也是可以的；顯然，人員尤其是訓(xùn)練有素的消防人員也可緣升降繩索12自行爬升一定高度或快速滑下。
為便于攜帶和自由放繩以節(jié)省火場(chǎng)救援時(shí)間，升降繩索12最好事先繞經(jīng)定滑輪11，升降繩索12兩側(cè)段也最好事先整齊卷繞在卷盤9上。
為防止運(yùn)動(dòng)的升降繩索12及定滑輪11與墻面接觸形成摩擦，最好將定滑輪部件10中的輪架13結(jié)構(gòu)尺寸加大到能遮擋或罩住定滑輪11而只朝下露出或空出升降繩索12伸出部分，以使運(yùn)動(dòng)的定滑輪11及繞經(jīng)定滑輪11的升降繩索12不會(huì)與墻面接觸摩擦上，而改由輪架13來承擔(dān)與墻面的接觸與摩擦。
3 本項(xiàng)目主要部件設(shè)計(jì)內(nèi)容
本課題為高層建筑消防救生裝置的設(shè)計(jì)，要求該裝置在高層建筑失火時(shí)能以非常經(jīng)濟(jì)的辦法起到接近消防云梯車在救生時(shí)的作用，能夠快捷、方便地借助機(jī)動(dòng)絞盤機(jī)拉動(dòng)繩索等方法緣索上去進(jìn)行人員救助乃至攜帶物品。主要部件包括減速器，繩索等。
3.1 減速器的設(shè)計(jì)
3.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)指標(biāo)
單索救生有效載重量大于260公斤。
鋼索滿載升降速度每秒0.9米以上。
3.1.2 電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算
選擇電動(dòng)機(jī)功率[3,17]
滾筒所需的有效功率：==1.68kw
傳動(dòng)裝置的總效率：η總=ηV×η滾3×η球×η錐×η柱×η聯(lián)×η筒
式中 V帶傳動(dòng)效率 ηV=0.95
圓錐滾子軸承效率 η滾=0.93
圓錐齒輪傳動(dòng)效率 η錐=0.95
圓柱齒輪傳動(dòng)效率 η柱=0.97
彈性聯(lián)軸器的效率 η聯(lián)=0.99
傳動(dòng)滾筒效率 η筒=0.96
傳動(dòng)總效率
η總=0.93×0.95×0.99×0.994×0.96×0.97=0.736
所需電動(dòng)機(jī)功率
==2.34/0.736=3.18kw
根據(jù)裝置的實(shí)際情況，擬選滾筒直徑為300mm
選取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
滾筒轉(zhuǎn)速
==57.3 r/min
根據(jù)工作條件，選擇Y系列三相異步電動(dòng)
根據(jù)滾筒所需的功率和轉(zhuǎn)速，可選擇功率為3KW，同步轉(zhuǎn)速分別為3000r/min和1500r/min兩種型號(hào)的電動(dòng)機(jī)。見表3.1
表3.1電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)及傳動(dòng)比
方案號(hào)
電機(jī)型號(hào)
額定功率
同步轉(zhuǎn)速
滿載轉(zhuǎn)速
總傳動(dòng)比
1
Y112M.4
4
1500
1400
24.433
2
Y132M1.6
4
1000
960
16.754
通過比較決定選擇第2種方案，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y132M1.6，其額定功率為4KW，轉(zhuǎn)速為1400r/min，軸伸直徑D=38mm，軸伸長度E=80mm。
3.1.3 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
分配傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比
V帶傳動(dòng)比為2.3，取2.5
則減速器傳動(dòng)比為
=24.433/3=9.773
對(duì)減速器傳動(dòng)比進(jìn)行分配時(shí)，即要照顧兩級(jí)傳動(dòng)浸油深度相近，又要注意大錐齒輪不能碰著低速軸，試取
=3
==10.27/3=3.258
各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
0軸：即電機(jī)軸
P0=Pr=3.18kw
n0=1400r/min
T0=9550×P0/n0=9550×3.18/1400=21.69
Ⅰ軸：即減速器高速軸
P1= 3.18×0.95=3.02kw
n1= n0/i帶=1400/2.5=560r/min
T1=9550×P1/n1=9550×3.02/560=51.50
Ⅱ軸：即減速器中間軸
P2= P1×η錐×η滾=3.02×0.93×0.99=2.75kw
n2=n1/i1=560/3=186.7r/min
T2=9550×P2/n2=9550×2.75/186.7=140.67
Ⅲ軸：即減速器的低速軸
P3= P2×η柱×η滾=2.75×0.95×0.98=2.56kw
n3= n2/i2=186.7/3.258=57.3r/min
T3=9550×P3/n3=9550×2.56/57.3=426.67
Ⅳ軸：即傳動(dòng)滾筒軸
P4= P3×η球=2.56×0.98×0.99=2.48kw
n4=n3=46.06r/min
T4=9550×P4/n4=9550×2.48/57.3=413.33
將所得數(shù)據(jù)組合成表3.2
表3.2各軸運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)
序號(hào)
功率P
/kw
轉(zhuǎn)速n
/(r/min)
轉(zhuǎn)矩T
/Nm
傳動(dòng)型式
傳動(dòng)比
效率η
0
3.18
140
21.69
帶傳動(dòng)
2.5
0.95
1
3.02
560
51.50
圓錐齒輪傳動(dòng)
3
3.258
1
0.91
2
2.75
186.7
140.67
圓柱齒輪傳動(dòng)
0.93
3
2.56
57.3
426.67
聯(lián)軸器
0.97
4
2.48
57.3
413.33
3.1.4 帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
確定設(shè)計(jì)功率PC
由表[9]查得=1.1
PC=×P=1.1×3.18=2.50kw
選取V帶的型號(hào)
根據(jù)PC和n0由圖3.2確定，因工作點(diǎn)外于A型區(qū)，故選A型。
確定帶輪基準(zhǔn)直徑、
選擇小帶輪直徑
由表[9]確定=100mm
驗(yàn)算帶速V
V===7.33m/s
在5.25m/s之上，故合乎要求
確定從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑
==3×80=250mm
查表[9]得dd2=250mm
實(shí)際從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和實(shí)際傳動(dòng)比i
不計(jì)ε影響，若算得與預(yù)定轉(zhuǎn)速相差5％為允許。
==2.5
===560r/min
確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長度Ld
初定中心a0
本題目沒有給定中心距，故確定
0.7(dd2+dd1)≤≤2(dd2+dd1)
231≤≤660
取=480㎜。
確定帶的計(jì)算基準(zhǔn)長度Lc按式
≈2+(+)+
=1521㎜
取標(biāo)準(zhǔn)Ld按表[9]取=1600㎜。
確定中心距a
=+=500+=519.5㎜
調(diào)整范圍
=+0.03=519.5+0.03×1600=567.5㎜
=.0.03=519.5.0.03×1600=495.5㎜
驗(yàn)算包角α
α≈180°.×60°
=161°＞1200 符合要求
確定帶根數(shù)z
Z≥
單根V帶所能傳遞的功率
=(++)kw
包角系數(shù)
=1.25()=1.25()=0.9537
由表[9]3.2查得
C1=3.78×10.4 C2=9.81×10.3 C3=9.6×10.15
C4=4.65×10.5 =1700㎜
ω1===148.6rad/s
=ω1〔C1..C3.C4lg(dd1ω1)〕=1.233
=C4ω1lg=0.0150
=c4ω1lg=0.0483 KW
=(++)=1.236
V帶的根數(shù)
Z≥==2.83 取Z=3根
確定單根V帶初拉力F0
F0=500(.1)+q
=134.4N
式中q由表[9]查得q=0.1Kg/m。
計(jì)算軸壓力Q
Q=2F0Zsin=2×134.4×3×sin =795N
帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3，圖4
圖3 小帶輪 采用實(shí)心結(jié)構(gòu)
圖4 大帶輪 采用孔板結(jié)構(gòu)
3.1.5 減速器中高速級(jí)圓錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算
選擇齒輪材料精度等級(jí)
齒輪減速器為一般機(jī)械，小齒輪材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表查得
小齒輪45調(diào)質(zhì)硬度HBS217～255，取硬度為HBS235～255；大齒輪材料選用
45鋼，正火處理，大齒輪45正火硬度HBS162～217，取HBS190～217。
齒輪精度等級(jí)選為8級(jí)
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
≥mm
初選=1.2
==2.5
由表[9]查得：=189.8
取=0.3 T1=40179
=60jLh=60×560×1×(16×300×4.5)=7.26×108
=/=7.26×108/3=2.42×108
查表[9]得=1.04, =1.1
取Zw=1.0，=1.0，=0.92，=1.0
得=590Mpa，=570MPa
計(jì)算許用接觸應(yīng)力
=ZN1ZXZWZLVR==542.8Mpa
=ZN2ZXZWZLVR==524.4Mpa
≥
=
=67.81mm
取=28，==3×22=84
m===3mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2.5mm
=2.5×28=70mm
=70×(1.0.5×0.3)=59.5mm
===1.74m/s
取=1.25
==0.4872
取=1.034
R===111.87mm
=0.3×111.87=33.561mm
取b=34 mm
===0.571
取=1.15
==1.49
==468Mpa＜〔〕2=524.4Mpa
安全
=468Mpa接觸疲勞強(qiáng)度足夠
校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
=≤
=arctan=arctan22/66=18.23O
==90 O –18.43 O=71.77 O
=22/cos18.43O=29.48
66/ cos 71.57O =271.71
按,
查表[9]得=2.55,=2.17
查表[9]得=1.163，=1.86
查表[9]得=220MPa,=210MPa
查表[9]得=1.0，=1.0
得=1.0
取=2.0，=1.4
===314MPa
===300MPa
=
=107.536MPa < =314MPa安全
==104.43 MPa〈=300MPa安全
齒輪主要參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算
=28 =84 u=3 m=2.5mm
==2.5×28=70mm
==2.5×84=212.5mm
=+=70+2×3×cos18.23 O=74.75mm
=+=212.5+2×3×cos71.77 O=214.06mm
=.=70.2.4×3×cos18.23 O=64.30mm
=.=212.5.2.4×2×cos 71.77 O=210.62mm
R==111.87mm
34mm
3.1.6 減速器中低速級(jí)斜齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算
由前面計(jì)算得知：二軸傳遞的功率P2=1.872kw，轉(zhuǎn)速n2=157.56r/min，
轉(zhuǎn)矩T2=113.39Nm，齒數(shù)比u=3，載荷有輕度沖擊
選擇齒輪材料，確定精度及許用應(yīng)力
小齒輪為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS235～255
大齒輪為45鋼，正火處理，硬度為HBS190～217
齒輪精度為8級(jí)：
=60=60×186.7×1×(16×300×4.5)=2.42×108
=/=2.42×108/3.258=0.743×108
查圖[9]得1.0,1.03
取=1.0,=1.0,=0.92, =1.0
查圖[9]得=600MPa,=550MPa
==580MPa
==561.35MPa
561.35 MPa
按接觸疲勞強(qiáng)度確定中心距
≥(u+1)mm
T2=140.670 Nm
初選1.0，暫取,0.4
0.99
由表[9]得=189.8
計(jì)算
端面壓力角
=arctan(tan/cosβ)= arctan(tan200/cos130)=20.48290
基圓螺旋角
= arctan(tan